JOUANNO Louis Marie

JOUANNO Louis Marie
JOSSELIN Hélène
07/02/2011
Physique, « la dosimétrie et la protection contre les rayonnements ionisants », Docteur Florence LE JEUNE
La dosimétrie et la protection contre les
rayonnements ionisants
I. Définition de la dosimétrie
II. Rappels
III. Grandeurs dosimétriques
A)
Dose absorbée (D)
B)
Dose équivalente (H)
C)
Dose efficace (E)
IV. Exposition humaine
A)
Origine naturelle
B)
Origine artificielle
V. Radioprotection
VI. Exposition aux rayonnements pendant la grossesse
I. Définition de la dosimétrie
La dosimétrie a pour but de mesurer la quantité d'énergie déposée dans un tissu ou organisme
vivant lors d'une exposition à des rayonnements ionisants.
L'exposition peut être :
 externe (dosimétrie externe) : voyage en avion, radiothérapie thérapeutique...
 interne (dosimétrie interne) : boire du lait, manger de la viande, ou à but thérapeutique par
exemple pour le cancer de la thyroïde, il y a ingestion d'Iode 131 comme médicament.
L'exposition peut être :
 globale, intéressant le corps entier
 partielle, portant sur une région, sur un ou plusieurs organes
Tous ces paramètres sont pris en compte pour connaître la dose à laquelle le patient est exposé.
La dosimétrie a un rôle fondamental en radioprotection, en radiothérapie et dans les situations
accidentelles (Tchernobyl par exemple).
Au total, quelque soit l'exposition, les effets biologiques dépendent essentiellement de l'énergie
absorbée par unité de volume par le tissu irradié.
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La dosimétrie a pour but de quantifier cette énergie pour :
 estimer les doses reçues
 optimiser les protocoles de traitement (on doit avoir une irradiation maximale pour les tissus
tumoraux et une irradiation minimale pour les tissus sains)
 surveiller les professionnels (de santé, de l'industrie, stewards des avions, tous ceux qui sont
irradiés)
 établir les normes de radioprotection individuelle et collective.
II.
Rappels sur les rayonnements ionisants
 Définition des rayonnements ionisants :
Tout rayonnement dont l'énergie cinétique des particules ou des photons dépasse 10 eV environ.
 rayonnement directement ionisant : particules chargées, telles les α, β-, β+, ε
 rayonnement indirectement ionisant : particules non chargées, tels les, photons X et gamma, les
neutrons

Interaction des photons X et gamma avec la matière :
 par effet photoélectrique, à faible énergie, dans les milieux denses à Z (numéro atomique) élevé
 par effet Compton, à énergie intermédiaire, proportionnellement à la densité du milieu
 par effet de production de paires au delà du MeV, dans les milieux denses à Z élevé

Définition des rayonnements ionisants :
Rayonnement d'énergie suffisante pour éjecter un électron de l'orbite d'un atome.
A) Rayonnements électromagnétiques
 ils comprennent la lumière et les rayons X ou gamma. Ce sont des rayonnements photoniques : ils
ne sont ionisants qu'au dessus de 10 eV.
 ils sont de même nature et se distinguent par leur origine et non par leur énergie.
Les rayons X proviennent de la couche électronique.
Les rayons gamma proviennent du noyau.
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B) Rayonnements corpusculaires
 Ce sont des rayonnements α, β et les neutrons.
 Ces rayonnements sont émis lors de transformations nucléaires qui se produisent dans les noyaux
instables.
 Certains noyaux sont instables, soit naturellement, soit par suite de réactions nucléaires
artificielles, et vont se transformer en d'autres noyaux, stables ; ce qui correspond à une
désintégration qui s'accompagne de rayonnements particulaires et photoniques.
C'est la radioactivité.
Il existe deux types de radioactivité :
 Le premier type survient lorsque le déséquilibre du noyau tient à un excès de nucléons.
 soit un excès global : expulsion de particules alpha : c'est la radioactivité alpha (pas utilisée dans
le milieu médical car délétère)
 soit un excès de neutrons : transformation d'un neutron en un proton et un électron. Ce dernier est
éjecté et correspond à une émission « béta moins »
 soit un excès de protons et il y a alors deux possibilités :
 soit la transformation d'un proton en un neutron et un positon : émission « béta plus »
 (soit une capture électronique)
 Le second type survient lorsque le déséquilibre tient à un excès d'énergie par rapport à l'énergie
de liaison (c'est à dire d'interaction) entre les nucléons.
On dit que le noyau est dans un état « excité », et la transformation radioactive correspond à une
désexcitation, qui s'effectue cette fois sans changement de numéro atomique (l'élément d'arrivée est le
même que l'élément de départ).
Ce type de radioactivité survient en général à la suite du premier type, après une désintégration de
type « béta » (moins ou plus) que le noyau est dans un état excité instable.
L'énergie est émise sous forme d'un photon : photon gamma.

Exemple de désintégration :
Deux possibilités de désintégration β- :
 Il y a 95 % de Cs qui se transforment en Barium (Ba) excité (métastable) qui émettra ensuite un
photon gamma pour devenir stable.
 Il y a 5 % de Cs qui se transforment directement en Barium (Ba) stable.
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 Rayonnement alpha (α) :
C'est une particule composée de deux protons et de deux neutrons extrêmement liés entre eux
(noyau d'Hélium) et animée d'une grande vitesse.
L'émission alpha ne concerne que les noyaux lourds présentant un excès de protons
(en général A>200).
On observe un début de recherche avec ce rayonnement.
Exemple de la désintégration du radium en radon :
 Rayonnement béta (β) :
C'est une particule, électron (β-) ou positron (β+), animée d'une grande vitesse. Il accompagne la
transformation d'un neutron en proton (β-), ou d'un proton en neutron (β+).
 Désintégration β- :
 Désintégration β+ :
La particule ν, appelée neutrino ou antineutrino, est une particule neutre (non chargée) et de
masse nulle qui n'interagit pratiquement pas avec la matière.
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On peut réaliser un bilan de cancer avec ce type d'imagerie (en utilisant le fluor qui émet des
positrons). On effectue une injection de fluor 18 avec du sucre ; il y a fixation sur les cellules. Le positron
se désintègre en deux photons de 511 keV. La machine détecte alors ces photons (visualisation de cellules
cancéreuses là où il y a eu beaucoup de désintégrations).
Particularités de β- :
 du fait de leur charge, les particules β- sont soumises à de nombreuses interactions avec la
matière.
 Elles ont une faible profondeur de pénétration, de l'ordre de quelques mm dans les tissus mous et
sont arrêtés par des écrans très légers.
En médecine nucléaire, où le radioélément est incorporé à l'intérieur de l'organisme, les
rayonnements β- sont de loin les plus irradiants et donc les plus nocifs (ou les plus utiles lorsqu'on veut
détruire une tumeur).
utilisation de l'Iode 131 pour le traitement du cancer thyroïdien.
 dans certains cas, le noyau Y qui résulte de la désintégration est stable, et on parle (au sujet de X)
d'émetteur béta pur. Dans d'autres cas, le noyau Y est à l'état excité et une émission gamma (ou
une conversion interne) va suivre.
Remarque : les patients traités sont enfermés dans une chambre de plomb.
 Rayonnement gamma (γ) :
C'est un rayonnement électromagnétique analogue à celui de la lumière mais beaucoup plus
énergétique. Leur émission suit généralement une désintégration alpha ou béta et correspond à un
réarrangement des nucléons à l'intérieur du noyau fraîchement transformé.
Le photon étant une particule sans masse, il est très pénétrant. N'étant pas chargé, il interagit peu
avec la matière.
Par exemple, le tecnicium 99 émet un rayonnement gamma à 140 keV. Il est beaucoup utilisé en
tant que :
 traceur cardiaque pour obtenir une imagerie du cœur
 traceur pour obtenir une imagerie du cerveau
On peut obtenir l'imagerie de quasiment tous les organes : os...
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III. Grandeurs et unités dosimétriques



Dose absorbée (D)
Dose équivalente (H)
Dose efficace (E)
A) Dose absorbée (D)
La dose absorbée dans une région cible dépend à la fois de paramètres physiques et
physiologiques. On doit connaître :
 Activité administrée
 Période physique du radionucléide
 Schéma de désintégration du radionucléide (γ ? β+ ? β- ? ...)
 Position, masse et forme des régions cibles
 Distribution spatiale et temporelle de l'activité dans les régions sources
Certains rayonnements vont traverser la matière sans perte d'énergie, d'autres vont subir une perte
d'énergie liée à l'absorption de la matière et d'autres vont s'arrêter.
Les effets d'un rayonnement dépendent très directement de l'énergie localement absorbée.

Dose moyenne reçue par un tissu (T) ou un organe, due au rayonnement (R).
DT , R
dE

dm
En gray (Gy)
 dE : énergie déposée dans une masse de matière dm
 dose absorbée : rapport énergie / masse
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 Unité légale : le gray (Gy)
(cette définition est très importante à connaître)
 dose absorbée par une masse de matière de 1Kg à laquelle les rayonnements communiquent en
moyenne de façon uniforme une énergie égale à 1 joule
 1 gray = 100 rads
 Doses absorbées très variables selon les applications :
 1mGy pour un cliché thoracique (examen le moins irradiant)
 2Gy pour une séance de radiothérapie (en moyenne, indication de 5 à 6 séances par semaine)
On cherche toujours à optimiser les protocoles d'imagerie pour diminuer les irradiations, la durée
du traitement...

Débit de dose absorbée :
dD
&
D
dt
En Gy.min-1
dD : augmentation de dose absorbée dans l'intervalle de temps dt
Quand un patient a été dans une chambre plombée, sa sortie (pour rentrer chez lui) est seulement
permise lorsque le patient se trouve en dessous d'un certain seuil de dose absorbée.
 Les effets biologiques dépendent directement de la dose absorbée D, mais elle ne permet pas de
prédire les effets biologiques ou cliniques.
Remarque : 2 Gy en une seule prise est différent de 2 Gy sur 10 ans.




On doit prendre en compte :
la distribution de la dose dans le temps
le système biologique et le type d'effet biologiques
la qualité du rayonnement (nature des particules et spectre d'énergie)
B) Dose équivalente (H)
 Les effets stochastiques dépendent de la nature des rayonnements
 les effets se manifestant au hasard, sans seuil, existent à faibles doses, augmentant en fréquence
avec la dose mais même gravité (exemple : effets héréditaires, cancérogènes). On ne sait pas
quand et sur qui ils apparaissent.
 ces effets sont différents des effets déterministes : effets précoces, dose seuil, augmentation de la
gravité avec la dose. On peut les prévoir car ils apparaissent après une dose seuil.
Exemple : on sait qu'on va causer un érythème ; si au augmente la dose, on causera ensuite une brûlure et
si on l'augmente encore, on provoquera une nécrose cutanée.
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 Pour une même valeur de la dose absorbée, les photons, les neutrons ou les particules alpha n'ont
pas le même « effet biologique ».
 Pour prendre en compte la nature des rayonnements, on introduit une autre grandeur : la dose
équivalente HT.
 WR est le facteur de pondération pour les rayonnements (en J.kg-1). On introduit ce facteur dans le
calcul de la dose équivalente.
 La dose équivalente au tissu ou à l'organe est égale à la dose absorbée par le tissu ou l'organe T
pondérée suivant le type de rayonnement.
H T   WR  DR,T
R
En Sievert (Sv) = 1 J/kg pour un rayonnement pour lequel WR = 1
 Facteur de pondération radiologique WR :
 Traduction réglementaire de l'efficacité biologique d'un rayonnement (EBR)
 Ou facteur de qualité d'un rayonnement
Type de rayonnement
Facteur de pondération WR
X, gamma
1
Béta, électrons
1
Alpha, fragments de fission, noyaux lourds
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 Exemple : lors d'une contamination interne, une dose de 1 Gy correspond à :
 1 Sv si le radionucléide incorporé est le potassium 40 (WR=1)
 20 Sv si le radionucléide incorporé est du thorium 232, émetteur alpha (WR=20)
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 Transfert linéique d'énergie (TLE) :
 Pour caractériser une particule ionisante, il faut considérer l'énergie transférée par unité de
longueur parcourue, ou transfert linéique d'énergie (TLE)
 TLE d'un matériau, LD = dED / dl
dED : énergie perdue par une particule chargée due aux collisions électroniques en parcourant une
distance dl de ce matériau.
Plus le transfert est élevé, plus les distances parcourues seront importantes.
En pratique médicale, il y a utilisation de rayonnements à transfert linéique faible.

Exprimé en eV.µm-1 ou keV.µm-1
 Pouvoir de ralentissement
 Rayonnement alpha
TLE : 150 keV/µm
Ce rayonnement est irradiant et délétère (WR=20), donc il n'est pas utilisé.
 Neutrons
TLE variable : qq keV/µm à 100 keV/µm
 Rayonnement béta
TLE : qq keV/µm
 Rayonnement X et gamma
TLE : 1 ou qq keV/µm
 en pratique médicale usuelle :
* WR = 1
* Exposition à des rayonnements de TLE faibles
* il faut les rayonnements les moins délétères possibles pour les patients.
C) Dose efficace (E)
 En cas d'irradiation, la probabilité d'apparition des effets tardifs dépend de la dose absorbée D, de
la qualité du rayonnement ET aussi de la radiosensibilité particulière des organes et des volumes
irradiés.
 Dose équivalente HT délivrée à tous les tissus ou organes du corps.
 Indicateur global de l'exposition de l'individu, défini à l'origine pour la radioprotection du public
et du personnel.
 Surtout utile lorsque l'exposition de l'organisme n'est pas homogène (médecine nucléaire).
 Permet d'additionner les risques de différentes irradiations reçues par un même individu.
 Utilisée chez le patient afin de comparer des pratiques entre différents types de procédures, pays,
niveaux de soins, période de temps, …
 La dose efficace E prend en compte le risque total résultant de l'exposition de plusieurs organes de
radiosensibilité différente.
 WT est le facteur de pondération tissulaire.
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E   WT  H T
En sievert (Sv)
T
.
 Double pondération en fonction :
- du rayonnement
- du tissu
E  D T , R  WT  WR
En sievert (Sv)
La moelle osseuse est très sensible (0,12) : c'est l'organe le plus radiosensible.
Le colon est très sensible aussi : si des irradiations ont été effectuées sur des tumeurs pelviennes, en
post opératoire le patient peut avoir des polypes inflammatoires très gênants car du colon sain a été
irradié.
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Il existe 3 unités pour mesurer la radioactivité, son énergie et ses effets.
 Le Becquerel : nombre de désintégrations par seconde, noté (Bq). Cette unité est utilisée pour
l'activité.
1mCi = 37 Mbq
 Le Gray : c'est l'énergie du rayonnement reçu, noté (Gy). C'est l'unité de la dose absorbée.
1Gy = 100 rads
 Le Sievert : c'est l'effet de l'irradiation reçue, noté (Sv). C'est l'unité d la dose équivalente
absorbée.
1Sv = 100 rem
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